Исследователи из Инженерного колледжа Корнелла продемонстрировали, что, воздействуя на синтетическую тонкую плёнку сверхбыстрыми импульсами низкочастотного инфракрасного света, они могут заставить её решётку атомно расширяться и сжиматься миллиарды раз в секунду — деформационное «дыхание», которое потенциально можно использовать для быстрой смены электронных, магнитных или оптических свойств материала.
Исследование [опубликовано](https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/vzkw-n2bm) в журнале Physical Review Letters. Соавторами статьи являются бывший научный сотрудник Якоб Голлвицер и докторант Джеффри Каарет.
Растяжение и сжатие материала для создания деформации — распространённый метод управления его свойствами, но использование для этого света изучено меньше, по словам Николь Бенедек, доцента кафедры материаловедения и инженерии, которая возглавляла проект вместе с Андреем Зингером, доцентом кафедры материаловедения и инженерии в Инженерном колледже Корнелла.
«С теоретической точки зрения, когда вы пытаетесь что-то сделать со светом, это сразу становится очень сложным, — сказала Бенедек. — Когда материал взаимодействует со светом, мы не знаем, что происходит на детальном уровне, и поэтому нужно стараться извлечь как можно больше информации из экспериментов, чтобы построить модель».
Бенедек использовала вычислительную теорию, чтобы предсказать оптимальную частоту света и другие экспериментальные параметры, которые в сочетании с правильным материалом позволили бы достичь «динамической» деформации, которую можно было бы обратить вспять.
«Обычно, когда мы выращиваем материалы под напряжением, как только материал синтезирован, всё, напряжение не может измениться. Оно просто есть, — сказала Бенедек. — Но эта динамическая деформация — это очень короткое изменение формы, которое затем исчезает».
Исследователи определили, что они могут получить желаемую деформацию, запуская пикосекундные импульсы терагерцового света, который работает практически на той же низкой частоте, что и фононы — тип колебаний решётки, которые являются звуковым эквивалентом фотонов и распространяются по материалу в виде звуковых волн.
«Атом может качаться вокруг своего положения, как ребёнок на качелях, — сказал Зингер. — Если вы раскачаете его на правильной частоте, вы можете увеличить амплитуду этого атома, и это именно то, что мы делаем. Мы настраиваем частоту и возбуждаем специфическое атомное движение, которое приводит к быстрому расширению решётки. Свет генерирует совершенно новое состояние материала, которое невозможно было бы создать иначе».
Для этого процесса исследователям понадобился правильный материал. Они выбрали алюминат лантана, который в качестве тонкой плёнки не отличается особой яркостью. На самом деле он довольно скучен.
«В своём обычном состоянии он не обладает какими-либо интересными свойствами, — сказала Бенедек. — Поскольку теория очень сложна, мы хотели что-то максимально простое, и в этом материале был заинтересован световой сообщество. Поэтому мы выбрали его, потому что это должно было облегчить нам жизнь. Но потом оказалось, что он очень интересен».
Команда обратилась к Дарреллу Шлому, профессору Университета Тиш на факультете материаловедения и инженерии (Корнельский инженерный колледж), который синтезировал материал методом оксидной молекулярно-лучевой эпитаксии. Эксперимент был проведён с помощью [свободно-электронного лазера](https://phys.org/tags/free-electron+laser/) сотрудниками Стэнфордского центра линейного ускорителя (Национальная ускорительная лаборатория SLAC).
Анализ подтвердил, что воздействие на фононы сверхбыстрыми импульсами терагерцового света вызвало предсказанную деформацию. Но это ещё не всё: исследователи также обнаружили, что процесс необратимо улучшил структуру алюмината лантана.
«Это было то, чего мы не ожидали, — сказал Зингер, чья группа проводила рентгеноструктурный анализ. — У этого материала есть домены с одинаковыми структурами, ориентированными по-разному, и разделёнными доменной границей. Возбуждённые фононы создают новую структуру, которая формируется на этой доменной границе и распространяется по поверхности плёнки. Мы индуцируем более кристаллическое, более упорядоченное состояние».
Все материалы имеют свои пределы, и их можно растягивать и сжимать только до определённого предела. Но использование [низкочастотного](https://phys.org/tags/low+frequency/) света открывает новые возможности, такие как переключение между двумя различными состояниями в одном материале, включение и выключение электронных и [магнитных свойств](https://phys.org/tags/magnetic+properties/), а также индуцирование структурных перестроек для сверхпроводимости.
«Сочетание теории, синтеза и характеризации позволяет нам понять, как свет взаимодействует с семейством сложных оксидных материалов, и получить доступ к свойствам, которые невозможно получить стандартными методами», — сказал Зингер.
Предоставлено [Cornell University](https://phys.org/partners/cornell-university/)
published in Physical Review Letters. The paper’s co-lead authors are former postdoctoral researcher Jakob Gollwitzer and doctoral student Jeffrey Kaaret.”,”Stretching and squishing a material to induce strain is a common method to manipulate its properties, but using light for that purpose has been less studied, according to Nicole Benedek, associate professor of materials science and engineering, who co-led the project with Andrej Singer, associate professor of materials science and engineering in Cornell Engineering.”,”\”On the theory side, whenever you try to do anything with light, it immediately becomes very complicated,\” Benedek said. \”When a material interacts with light, we don’t really know what is happening at a detailed level, and so you have to try and glean as much information from experiments as you can to build a model.\””,”Benedek used computational theory to predict the optimal frequency of light and other experimental parameters that, in combination with the right material, would achieve a \”dynamic\” strain that could be reversed.”,”\”Normally, when we grow materials under strain, once the material is synthesized, that’s it, the strain can’t change. It’s just in there,\” Benedek said. \”But this dynamic strain is a very short change in the shape, and then it goes away.\””,”The researchers determined they could get the desired deformation by firing picosecond bursts of terahertz light, which is essentially at the same low frequency as phonons, a type of lattice vibration that are the sonic equivalent of photons and travel through material as soundwaves.”,”\”The atom can swing around its position, like a child on a swing,\” Singer said. \”If you swing it at the right frequency, you can increase the amplitude of that atom, and that’s exactly what we’re doing. We tune the frequency and excite a specific atomic motion that results in the quick expansion of the lattice. The light generates an entirely new material state that wouldn’t be possible to make otherwise.\””,”The researchers needed the right material to pair with that process. They chose lanthanum aluminate, which, as thin films go, isn’t very flashy. In fact, it’s quite boring.”,”That’s why they selected it.”,”\”In its normal state, it doesn’t really have any exciting properties,\” Benedek said. \”Because the theory is very difficult, we wanted something that was as simple as possible, and there has been interest from the light community in this material. So we picked it because it was going to make our lives easier. But then it turned out to be very interesting.\””,”The team turned to Darrell Schlom, Tisch University Professor in the Department of Materials Science and Engineering (Cornell Engineering), who synthesized the material via oxide molecular-beam epitaxy. The experiment was conducted with a free-electron laser by collaborators at the Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) National Accelerator Laboratory.”,”Analysis confirmed that zapping the phonons with ultrafast bursts of terahertz light induced the predicted strain. But that’s not all: The researchers also discovered that the process permanently enhanced lanthanum aluminate’s structure.”,”\”That was something that we didn’t expect,\” said Singer, whose group performed the X-ray characterization. \”This particular material has domains of the same structures, oriented in different ways, and separated by domain boundary. The excited phonons create a new structure that forms at this domain boundary and propagates laterally across the film surface. We induce a more crystalline, more ordered state.\””,”All materials have their limits and can only be stretched and compressed so much. But using low-frequency light now opens up new opportunities, such as switching between two different states in the same material, turning on and off electronic and magnetic properties, and inducing structural rearrangements for superconductivity.”,”\”The combination of theory, synthesis and characterization allows us to understand how light interacts with the family of complex-oxide materials and access properties beyond what’s possible with standard methods,\” Singer said.”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tCornell University\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Atomic and Condensed Matter\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник